Cell：利用高通量电化学技术研究细菌维持低能量状态的机制

就像冬眠的熊一样，某些细菌细胞能够进入一种“低能量”代谢状态，在这种状态下，它们可以稳定地存活而不生长。这种状态经常出现在抗生素耐药性感染中，因为细菌会形成一种叫做生物膜（biofilm）的粘性物质；这种低能量状态使生物膜核心中的细菌能够抵抗常用的抗生素。在这种情况下研究细菌一直是科学家们面临的技术挑战。

如今，在一项新的研究中，来自加州理工学院生物学与地质生物学教授Dianne Newman及其团队与日本国立材料科学研究所的 Akihiro Okamoto及其团队开发出了基于实验室的技术，利用一种高度通用的高通量系统，研究微型液体悬浮液中生物膜核心的代谢状态。这种新设备采用了 96 通道恒电位仪（一种测量电压差的设备），通过微小电极测量每个液孔的功率输出。相关研究结果于2024年10月23日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Mechanistic study of a low-power bacterial maintenance state using high-throughput electrochemistry”。

作者利用这种新设备研究了低能量代谢状态下的铜绿假单胞菌，其中铜绿假单胞菌是一种主要的医院获得性病原体，可引起多种急性和慢性感染。

Newman实验室研究假单胞菌已有几十年的历史。特别是，他们发现了一种叫做酚嗪（phenazines）的小分子，这种细菌在缺氧的情况下利用酚嗪来促进代谢。由于传染性生物膜深处通常没有氧气，吩嗪是假单胞菌生存的重要途径，因此也是开发治疗性药物的潜在有效靶点。

Okamoto 和他的实验室研究微生物电化学已有多年，最初开发的96 通道恒电位仪是为了研究奥奈达希瓦氏菌（Shewanella oneidensis），即一种用于能源和环境应用的模式生物。通过与Newman实验室的合作，Okamoto 意识到了这种仪器在生物医学方面的潜在应用。

Okamoto 说，“我们能够证实，测量到的电流直接反映了代谢的速率。结合Newman的方法，我们发现这种速率非常缓慢，适合进行机理剖析。”

利用高通量电化学技术研究细菌维持低能量状态的机制

有了这种 96 通道恒电位仪带来的实验能力，Newman团队终于可以解决有关酚嗪和假单胞菌的长期问题。他们比较了假单胞菌的许多不同条件和各种基因突变体，以确定这种细菌是否在最低代谢阈值下运行，并了解哪些酶是保存能量所必需的。他们发现，编码合并发酵和呼吸途径的生物能机制的基因是这种细菌维持稳定的低能量停滞状态所必需的；如果没有这些基因，它们就会更快地死亡。

这种新技术可用于在各种条件下研究多种不同的菌株。Newman说，“据我们所知，到目前为止，还没有一种实验系统能够在细胞代谢活跃但不生长的情况下，对代谢功率输出进行直接、高通量的测量。我们如今有机会发现维持代谢是如何实现的，这些发现可能适用于其他生物，这在非常基础的层面上是非常吸引人的，同时也有助于确定新的药物靶点，以对抗顽固的感染。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

John A. Ciemniecki et al. Mechanistic study of a low-power bacterial maintenance state using high-throughput electrochemistry. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.09.042.